浅谈制药浓缩中MVR设备的选择及起泡问题的解决方案

/摘  要：/

MVR浓缩技术在制药行业的应用已经逐步被人们接受，但针对MVR浓缩设备的使用选型还存在一定的顾虑，应主要从其实际节能效果以及使用过程中的问题解决（如消泡）等角度考虑。现通过分析对比，说明选择MVR的优势，并从几个角度提供消泡问题的解决方案，可供同行参考、探讨。

0  引言

MVR是蒸汽机械再压缩（Mechanical Vapor Recompression）的英文缩写，它是将从分离器中抽取出来的低温蒸汽经过压缩机压缩后（温度和压力升高）作为蒸发器的热源，用于加热液体，蒸发器不需要再从其他地方补充热源，从而减少了其对外界能源的需求[1]。对其原理进行理论分析，MVR浓缩一定比传统的浓缩方式更加节能，但实际效果及其使用中遇到的问题（消泡）则需要进一步探讨。

1  MVR与其他浓缩方式的比较

1.1  常见的浓缩方式

在制药工业中，常见的浓缩方式有膜浓缩、单效浓缩、双效浓缩、三效浓缩（多效浓缩）、刮板薄膜浓缩、TVR浓缩、MVR浓缩等。在这几种浓缩方式中，膜浓缩比较特殊，其不需要加热，没有蒸汽损耗，主要的能耗仅为循环泵使液体在机组中运行的电能，相对于其他浓缩方式能耗极小，但其设备初始投资较大，耗材（浓缩膜）费用较高。又由于膜浓缩的浓缩比较小，在中药浓缩实际应用中适用场景较少。

剩余几种浓缩方式中，单效浓缩、刮板薄膜浓缩作为较为原始的浓缩方式，由于其对加热蒸汽的利用仅有一次，不可避免地造成能源的浪费，能耗自然比较大。而TVR浓缩虽然利用喷射式热泵来回收部分二次蒸汽，能耗较小，但其能耗相对于MVR仅需极少量鲜蒸汽，利用压缩机压缩二次蒸汽的方式仍然没有优势，并且采用板式换热，使用后清洁比较困难。

1.2  双效浓缩、三效浓缩（多效浓缩）、MVR浓缩的详细比较

根据行业调查，很多企业综合投资大小、能耗大小、清洁难易等因素，主要选用双效浓缩、三效浓缩（多效浓缩）、MVR浓缩等方式。此三种浓缩方式的优缺点及性能对比如表1所示。

同样以3 000 L/h的蒸发量为例，三种浓缩方式的投资及运行成本如表2所示。

年度运行成本计算方式如下：

（1）双效浓缩：[19.2×0.76+1.56×240（天然气单价）+83×2.5（冷冻水单价）]×4 000（全年运行时间）=2 385 968元；

（2）三效浓缩：[21×0.76+1.05×240（天然气单价）+60×2.5（冷冻水单价）]×4 000（全年运行时间）=1 671 840元；

（3）MVR浓缩：[（80+16）×0.76+0.05×240（天然气单价）+10×2.5（冷冻水单价）]×4 000（全年运行时间）=439 840元。

综合以上分析，笔者认为在选择制药浓缩设备时MVR具有较大优势，在条件允许的情况下可以考虑优先选择。

2  以某实际生产数据为依据制定某项目可行性方案

2.1  某实际生产基本信息

（1）某两个品种生产使用MVR设备工艺数据如表3所示。

注：MVR从进液到开始浓缩启动时间为1～1.5 h。

（2）某车间使用1台MVR处理药材约1 000 t/a，根据工艺加10倍水，品种A蒸发水量约9 000 t/a，品种B蒸发水量约9 900 t/a。

2.2  分析过程

根据蒸发1 t水约需要0.6 t蒸汽，1 t蒸汽约260元，MVR节能系数60%，计算得：

品种A：9 000×0.6×260×60%=842 400元≈84.2万元；

品种B：9 900×0.6×260×60%=926 640元≈92.7万元。

MVR设备价格约270万元（含其他配套），平均每年压缩机维修费用按20万元计算，则投资回报年限为：290/92.7≈3.13年（290/84.2≈3.44年）；

若以5年作为投资回报年限，则品种A：9 000/X2=5/3.44，X2≈6 192 t/a；品种B：9 900/X1=5/3.13，X1≈6 197 t/a。即如年蒸发水量约≥6 200 t，则可在5年以内收回设备投资成本。

2.3  结论

如表4所示，根据以上分析，有5个品种可建议使用MVR设备。但部分品种在蒸发过程中易起泡，需攻克相应消泡方案。

3  MVR浓缩中的问题及解决方案

3.1  MVR浓缩中的问题

在MVR浓缩过程中，由于控制参数或物料性状的原因，容易产生大量气泡，当气泡不断增加、升高甚至进入压缩机，就会造成设备停机，影响生产，并且会对设备造成损害。因此，在生产过程中如何有效消除泡沫，就成了当务之急。

3.2  MVR消泡方案

首先关于泡沫的产生，需要有合适的检测方式，目前大多通过操作人员肉眼观测，此外通过实验、超声波检测有一定的效果。超声波检测一般安装于罐体的三个高度，由低到高分别提供预警、消泡启动、停机报警的操作信号。

3.2.1  工艺角度的解决方案

从工艺角度采用温差控制、液位控制、浓缩方式组合、避免中途停机等几种方式，可有效减少或消除起泡现象。

（1）温差控制：根据我司使用经验，当物料进入设备温度较低时，冷热液体的碰撞使得物料产生大量气泡，当适当升高物料温度时，起泡现象则有所好转，因此根据经验总结出设备内物料温度与进料温度之间的温差越小，越不容易起泡。故针对起泡问题，建议对提取液储罐做保温处理，或对进料液体温度进行预热，缩小与设备内的液体温差，从而减少起泡现象。

（2）液位控制：当液位过高或过低，物料进入设备时会冲击在液面或设备上，都容易产生大量气泡。因此，液位控制应在100～120 mm，并根据液位情况控制进料，避免罐体内的温度波动太大。

（3）MVR+双效浓缩的方式：我司尝试在MVR中将物料浓度由1.01浓缩至1.07左右即转用双效浓缩，该做法避免了浓度升高导致物料更容易起泡。另外，根据经验，浓度1.01到1.07的过程中，蒸发了大部分水分，MVR的效率最高，由1.07～1.12过程中MVR蒸发水的效率降低，而采用双效浓缩速度更快。

（4）避免中途停机：如果物料浓缩过程中停机，再启动时由于真空度、温度的波动更容易产生大量气泡而无法控制，因此应尽量避免中途停机。

3.2.2  设备角度的解决方案

除了在工艺角度进行控制，设备方面也可以优化，从而减少起泡现象。

（1）设备尺寸量身定制：在设备定制阶段，根据不同物料的起泡程度，通过计算设计MVR分离器的高度、直径，选择合适的比例，从而达到消泡效果。

（2）进料位置及角度：进料位置应尽量靠近罐体底部，并且采用切向进料（螺旋形进料），避免物料进入罐体时冲击产生气泡。进料管道如图1、图2所示。

 

（3）进料预热：在进料过程中对物料进行预热，设备上采用2级预热系统，第1级预热采用板式换热器，第2级预热采用管式换热器（2级预热采用管式的原因是管式比板式单个流道的截面积大，同样流量可以降低物料流动速度，减小物料对液面的冲击，更不容易起泡）。

（4）喷淋球：在罐体顶部设置喷淋球，可根据工艺少量喷洒冷水或原料液，通过冷液击破泡沫的方式进行消泡。

4  结语

在浓缩设备的选择上，相对于其他浓缩方式，MVR具有比较强的优势，但在实际应用中不可避免地存在一些问题。本文仅仅是抛砖引玉，希望能与同行共同探讨优化浓缩方案，推动制药设备的不断进步。

审核编辑 ：李倩